Quarta tappa: l Universo. Conclusioni

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1 Quarta tappa: l Universo All interno di questa tappa non abbiamo affrontato, volutamente, il discorso delle teorie sulle origini, come il Big Bang in quanto riteniamo l argomento troppo rischioso, anche se sappiamo che si comincia a parlare di Big Bang nella terza classe di scuola primaria Le semplificazioni di seconda o terza mano che si fanno spesso conducono ad ambiguità che inducono misconceptions e soprattutto a pensare che le conoscenze che possediamo siano la verità, e non,invece, il risultato di una conoscenza in evoluzione. Abbiamo però ritenuto utile aggiungervi il testo preparato per i ragazzi delle superiori. A voi decidere se farne la base di partenza per una lezione ai vostri bambini/e. I concetti sottesi sono tanti e complicati a voi decidere se nelle vostre classi potete affrontarli e le modalità con cui farlo. Conclusioni Questa parte è sicuramente più teorica rispetto alle precedenti, Sistema Solare e Stelle, ed è anche, proprio per questo, la più complicata ma forse anche la più affascinante perché presenta un campo di studio in totale evoluzione,anche grazie alle sempre nuove tecnologie utilizzate. Proprio per questo suggeriamo di ricordare ai bambini/e,come già detto precedentemente, quali sono le forze in gioco e di riprendere eventualmente quegli esperimenti e quelle schede già fatte proprio per ricordare i concetti incontrati e per ribadirli. In compenso nel sito i vostri bambini/e troveranno le più belle immagini di tutto il cammino alla scoperta del cielo. Con questo abbiamo finito, vi ricordiamo che siamo a vostra disposizione per qualunque chiarimento, per commenti, suggerimenti, proposte, critiche. Vogliamo che il progetto diventi un po anche vostro e migliori anche grazie alla vostra esperienza! Scriveteci a scopriticielo@inaf.it. Grazie. Di seguito il testo per le superiori.

2 Passiamo ora a vedere i dati ed i concetti fondamentali per quanto riguarda l Universo. Abbiamo poco spazio, e anche troppo poco tempo, per entrare nei dettagli che sarebbe importante riportare e quindi quella che faremo è una esposizione molto serrata. Attenzione però a non confondere le cose, quando diciamo una teoria non parliamo di una opinione come un altra. Ricordiamoci quanto abbiamo detto più volte nelle pagine precedenti, non per essere noiosi ma perché è un dato fondamentale della ricerca scientifica:prima si osserva il segnale che ci arriva dai corpi celesti,dopo averlo raccolto lo si analizza e misura, per procurarsi dei dati ed infine, ragionando sui dati, si costruisce una teoria che li interpreti e, possibilmente, preveda anche altri fenomeni oltre a quelli da cui siamo partiti. Lo ribadiamo perché nel seguito dobbiamo dare molte affermazioni per scontate, lo faremo il meno possibile,ma non vogliamo che questo ti generi l idea che gli scienziati costruiscono le loro ipotesi come semplici opinioni. Spesso ci facciamo delle domande, che forse dipendono molto, troppo, da categorie che abbiamo nella nostra vita comune di tutti i giorni, ma che hanno poco senso riportate allo studio dell Universo. Ci chiediamo quindi se e quando l Universo ha avuto un inizio, parliamo della sua storia, usiamo parole come nascita, vita, morte, prima, dopo, sotto, sopra, che derivano dalla nostra esperienza sensoriale e umana. Dobbiamo fare attenzione perché queste parole generano automaticamente, o per meglio dire inconsciamente, nella nostra mente delle esperienze che nulla hanno a che fare con l Universo o la Fisica. Ovviamente l Universo non nasce né muore né è giovane o vecchio. Chiarito tutto questo partiamo per vedere quale è lo stato attuale della conoscenza sull Universo, ovvero quale sia la Cosmologia attuale. Oggi la teoria cosmologica predominante, anche se non unica, è quella del Big Bang. L idea fondamentale deriva dall osservazione che le galassie appaiono tutte allontanarsi le une dalle altre, in un Universo che quindi si starebbe espandendo. La teoria del Big Bang ci dice poi, in forza del principio cosmologico che ne sta alla base che l Universo abbia un età finita, che dalle misure attuali piazziamo fra i 13 ei 14 miliardi d anni. Sappiamo già da tempo che la velocità della luce è elevatissima, ricordiamolo chilometri al secondo circa, ma comunque finita, e quindi possiamo pensare di osservare l Universo a ritroso nel tempo, fino al momento, se esiste, in cui l espansione è iniziata. Più lontano guardiamo, ovvero più gli oggetti che osserviamo sono lontani da noi, più andiamo a ritroso anche nel tempo, anche se, per non fare confusione, sarebbe meglio dire indietro nelle varie fasi di espansione dell Universo stesso. Se lo facciamo, e riusciamo a farlo, troviamo che l Universo diventa sempre più caldo e denso, abbastanza da impedire

3 alla luce, ma anche ad ogni altro segnale elettromagnetico, di propagarsi nello spazio. Aumenta cioè la sua opacità, che è il contrario della trasparenza. Andando fino all inizio dell espansione arriviamo, nel senso che la teoria prevede, ad uno stato di singolarità,ad un Universo in cui le distanze diventano nulle e temperatura e pressione infinite. Questo ci dice che questa teoria, e le leggi fisiche che utilizziamo per costruirla,hanno superato il limite della loro validità ed applicabilità. Ogni teoria, infatti ha dei limiti di applicazione entro i quali è definita. Pensiamo comunque, sulla base delle osservazioni che abbiamo fatto, che l espansione abbia avuto origine oltre13 miliardi di anni fa, partendo da uno stato che non sappiamo ancora descrivere. Da questo stato l Universo emerge completamente pieno delle prime particelle elementari e di radiazione elettromagnetica. È però ancora opaco e per perché divenga trasparente per i segnali elettromagnetici, e quindi noi si possa riceverli,occorre far trascorrere anni. Se ci basiamo sull osservazione della radiazione elettromagnetica, luce visibile, onde radio, radiazione X, la teoria ci dice dunque che comunque non riusciamo ad andare oltre a questo limite dei anni, oltre il quale,verso le origini, l Universo era completamente opaco. Se vogliamo andare oltre occorre cambiare completamente metodo, dobbiamo cercare e osservare ma nel modo giusto. La teoria prevede che oltre quel limite si possa andare osservando altri messaggeri d informazione diversi dalle radiazioni, ed esattamente i neutrini e le onde gravitazionali, entrambi presenti nell Universo anche molto prima dei anni dal Big Bang. Anche di quei momenti, lontanissimi nel tempo da noi ma vicinissimi al Big Bang, pensiamo sia possibile ottenere delle immagini, anche se ben diverse da quelle che siamo abituati a vedere, a patto di cercare nel modo giusto e con i rivelatori giusti. Per essere chiari non ci siamo ancora riusciti, ma pensiamo di essere abbastanza prossimi al risultato.. Potrebbero essere quindi neutrini e le onde gravitazionali, o meglio i loro effetti, a farci capire cosa stava succedendo in quei primi istanti dell Universo. Se la teoria del Big Bang è giusta infatti, nei primi momenti, fino a anni dopo il Big Bang,comunque vennero ad esempio prodotti neutrini. Questisono inafferrabili particelle elementari nel senso che viaggiano nello spazio praticamente indisturbati poiché molto difficilmente interagiscono con la materia stessa. Proprio per questa loro capacità di non interagire col resto della materia, e quindi anche con gli strumenti di misura, la loro rilevazione è di estrema difficoltà. Per rivelare una radiazione o una particella è indispensabile infatti che essa interagisca con la materia, basta banalmente pensare alla pellicola fotografica ed a cosa succede quando scattiamo

4 una fotografia. In quel periodo iniziale dell Universo debbono poi,secondo la teoria, essere state prodotte delle onde gravitazionali, che interagiscono anch esse in modo estremamente debole con la materia. Se riuscissimo quindi a osservare gli effetti provocati dai neutrini e dalle onde gravitazionali provenienti dalle epoche a ridosso del Big Bang avremmo dei dati sicuri per poter studiare quello che accadde alle origini dell evoluzione. Alcuni neutrini li conosciamo perché li abbiamo osservati nel nostro Sole e sicuramente vengono prodotti, con energie però molto diverse da quelli che sarebbero stati prodotti subito dopo il Big Bang, in fenomeni come le Supernovae, eventi in cui le stelle di grande massa, almeno 10 volte quella del Sole, terminano la loro evoluzione esplodendo e rilasciando in pochi attimi milioni di volte l energia emanata dal Sole in tutta la sua esistenza. Andando avanti nell Evoluzione dell Universo possiamo chiederci quando allora si siano formati i primi oggetti celesti, le prime protostelle e protogalassie?questo è un interrogativo ancora abbastanza aperto,anche se oggi pensiamo di essere molto vicini alla soluzione grazie a mappe come quella qui sotto, prodotta dal satellite WMAP, che ci fa vedere il fondo cosmico alla lunghezza d onda delle microonde. Come abbiamo detto la teoria del Big Bang prevede che l Universo all inizio fosse estremamente caldo ed in espansione. Man mano che questa procedeva il gas esistente divenne sempre più freddo e l Universo si riempì di radiazione, che per certi versi possiamo considerare essere l impronta del calore iniziale del Big Bang. Questo è quel chiamiamo fondo cosmico, invisibile ovviamente ad occhio nudo poiché, nello stato di evoluzione in cui ci troviamo oggi, corrisponde ad una radiazione emessa nella banda elettromagnetica delle microonde, ovvero ad una temperatura di gradi sopra lo zero assoluto,oltre 270 gradi centigradi sotto zero. Il calore del Big Bang è quindi ancora dappertutto nell Universo, ma corrisponde a temperature freddissime!quella ottenuta dal satellite WMAP è quindi l immagine della prima luce, ovvero radiazione di un qualche tipo,che sia comparsa nell Universo ed anche,per il discorso dell opacità che abbiamo fatto prima, quella più vicina al Big Bang che potremo mai ottenere. I diversi toni di grigio che vedi nell immagini danno le differenze di temperatura nelle varie zone del cielo con la precisione di circa dieci milionesimi di grado! Ci dicono che in quello stadio evolutivo nell Universo erano presenti delle leggerissime disomogeneità della materia. È che queste, che si sono in seguito evolute che si sono formati i primi oggetti celesti, come se fossero dei semi da cui si è evoluta,nel corso di miliardi d anni, la struttura del cosmo che osserviamo oggi. Possiamo quindi dire che nel gas che andava raffreddandosi rapidamente per via dell espansione, si

5 sono create delle piccolissime differenze di temperatura, qualche milionesimo di grado, che hanno provocato delle disomogeneità nella materia. Da queste ha avuto inizio la formazione prima e l aggregazione poi dei corpi celesti a partire dalle particelle del gas. Se poniamo quindi la domanda quando ha iniziato ad aggregarsi la materia non troveremo, per il momento,una risposta precisa, ma in questi ultimissimi anni sono stati fatti passi da gigante sia nella teoria che nell osservazione, grazie ai nuovi strumenti montati a bordo di satelliti o sui telescopi a Terra. Se guardiamo quest immagine possiamo farci un idea di quanto di meglio si riesce a produrre oggi. Per ottenerla lo Hubble Space Telescope è stato utilizzato per ben quattro mesi, alla fine del 2003 e, successivamente, c'è voluto il lavoro di diecine di astronomi e specialisti nell elaborazione dei dati. Quella che vedi è l immagine più profonda di una zona di cielo mai ottenuta osservando nella radiazione visibile. Accumulando ora dopo ora i segnali provenienti dalle galassie si è potuto registrare anche quelli, debolissimi, delle più lontane e mai viste prima. Più lontano significa anche più distante nel tempo come sappiamo ed infatti le galassie più distanti riprese in quest immagine, stanno a miliardi e miliardi di anni luce e sono, probabilmente, fra le prime comparse nell Universo, fra 0.5 ed 1 miliardo di anni dopo il Big Bang. È ovviamente un risultato superlativo, una vera pietra miliare per l umanità, ma per capire meglio questo passaggio fondamentale dell evoluzione dell Universo È necessario fare di più, e lo si farà, nel prossimo decennio con la prossima generazione di telescopi e satelliti astronomici. Oggi pensiamo che le galassie si siano formate con un processo continuo e gerarchico di fusione, in cui quelle più piccole si sono formate per prime e sono andate ingrandendosi via via fondendosi le une con le altre, in un processo governato dall attrazione gravitazionale. Dato che la gravità è proporzionale alla massa, è semplice capire come la formazione delle galassie sia governata dalla materia oscura, così chiamata perché non emette alcun segnale, che pensiamo rappresenti almeno il 23% del contenuto di massa ed energia dell Universo, contro un piccolo 4% della materia normale. Il rimanente 73% di questo rapporto fra massa ed energia sarebbe rappresentato dall energia oscura. È chiamata così perchè non sappiamo di che cosa si tratti, ma capiamo che contrasta l attrazione gravitazionale su scale di distanza molto grandi, riuscendo ad accelerare l espansione dell Universo. Già perché se non ci hai pensato finora avresti dovuto chiederti Come mai l Universo continua ad espandersi? La materia dovrebbe attrarsi proprio per mutua attrazione gravitazionale,ed invece osserviamo una continua espansone. Qualcosa deve essere responsabile di questo, ed è quello che

6 chiamiamo energia oscura che è al centro, oggi di moltissime ipotesi e ricerche. Tutto quello che vediamo, e che abbiamo studiato nel corso di secoli, sarebbe quindi solo il 4% di quanto realmente esista sotto forma di massa o energia. L esistenza dell energia oscura era peraltro già stata ipotizzata da Albert Einstein,che la chiamava con il nome di costante cosmologica. Una volta che le galassie si sono formate esse procedono nella loro evoluzione ingrandendosi per successive fusioni. Il processo di formazione è continuo, avviene anche oggi, e la classe più numerosa di galassie che si formano è rappresentata da quelle di piccola massa. Le grandi galassie che vediamo oggi attorno a noi, compresa la nostra Via Lattea, sarebbero quindi il risultato finale di vari processi di fusione avvenuti nei miliardi di anni che ci separano dalla formazione delle singole galassie componenti.